3T.ensayos y Propiedades de Manufactura de Los Materiales

7/21/2019 3T.ensayos y Propiedades de Manufactura de Los Materiales

1/11

Ensayos y propiedades de manufactura de los materiales

Ing. Ricardo Prieto Abanto Docente UTP Pgina 1


Muchos procesos de manufactura comprenden el formado de materiales por medio de

deformaciones plsticas. En consecuencia, las propiedades mecnicas como la resistencia a la

fluencia (Y) y la resistencia mxima a la tensin (UTS), el mdulo de elasticidad (E), la ductibilidad,

la dureza y la energa requerida para la deformacin plstica, son factores importantes.

A su vez, estas propiedades dependen en diversa medida del material en particular y de sus

condiciones, temperatura, velocidad de deformacin, condiciones superficiales y del medio

ambiente.

Tensin

El ensayo de tensin es el ms comn para determinar propiedades mecnicas de los materiales

como resistencia, ductibilidad, tenacidad, mdulos elsticos y capacidad de endurecimiento por

deformacin.

Curvas esfuerzodeformacin: cuando se aplica una carga por primera vez a un espcimen, se

alarga en proporcin a ella; si se retira la carga, el espcimen recupera su longitud y forma

originales de manera elstica(como una banda de hule cuando se estira y se suelta, este

comportamiento se le llama comportamiento elsticolineal. El esfuerzo ingenieril (esfuerzo

nominal) se define como la relacin de la carga aplicada (F) al rea transversal original (Ao) del

espcimen:

La deformacin ingenieril se define como:

Donde les la longitud instantnea del espcimen y loes la longitud inicial, antes de deformacin.

Al aumentar la carga, el espcimen (en cierto nivel de esfuerzo) empieza a sufrir una deformacin

permanente (plstica). Ms all de ese nivel, el esfuerzo y la deformacin ya no son

proporcionales, como lo eran en la regin elstica. El esfuerzo con que ocurre este fenmeno se

conoce como esfuerzo de fluenciao esfuerzo de cedenciaY del material.

Conforme el espcimen comienza a alargar (bajo una carga contnua creciente), el rea de su

seccin transversal disminuye permanente y uniformemente a toda su longitud alargada. Si se

retira la carga del espcimen en un nivel de esfuerzo superior al esfuerzo de fluenciaY, la carga

sigue una lnea recta hacia abajo y paralela a la pendiente original de la curva. Al aumentar an

ms la carga, el esfuerzo ingenieril alcanza un mximo y despus comienza a decrecer (ver figura

lnea )

esfuerzo ingenieril, = F

Ao

deformacin ingenieril, e = (l - lo)

lo


2/11



Al esfuerzo mximo se le llama resistencia a la tensino resistencia mxima de tensinUTS del

material. Al esfuerzo de ingeniera en el punto de fractura se le conoce como esfuerzo de rupturao

de fractura.

Mdulo de elasticidad E o mdulo de Young: es la relacin esfuerzo deformacin en la regin

elstica

Relacin lineal conocida como la ley de Hooke

Ductibilidad: es la medida de deformacin plstica que sufre el material antes de romperse.

Existen dos medidas de ductibilidad: alargamiento total y reduccin de rea.

Mdulo de elasticidad, E =

e

alargamiento total = (lf- lo) x 100 en %

lo

lf

Af Alargamiento total, ruptura

Formacin de cuello

Alargamiento uniforme

Elstico

Y, esfuerzo

de fluencia

UTS

e, deformacin

, esfuerzo

UTS (resistencia mxima a la tensin)

Esfuerzo

de fractura

Elstico Forma de

cuello

Alargamiento

uniforme

Plstico

E = /e

lo

Ao


3/11



Esfuerzo y deformacin real: el rea es el rea instantnea y no la lineal. Est demostrado que

para valores pequeos de deformacin, las deformaciones ingenieril y real son aproximadamente

iguales. Sin embargo, divergen con rapidez conforme aumenta la carga.

Compresin

Es comn que esta prueba se realice comprimiendo un espcimen slido cilndrico entre dos

matrices planas (platinas) bien lubricadas. Debido a la friccin entre el espcimen y las platinas, la

superficie cilndrica del espcimen se abomba (abarrilamiento). La friccin evita que se expanda

con facilidad. Podra ser difcil por esta razn obtener curvas esfuerzo deformacinen

compresin.

Si se compararan los resultados de las pruebas de tensin y de compresin de metales dctiles, se

advertir que las curvas esfuerzodeformacin reales coinciden en las dos pruebas. Esta

comparacin no es vlida para materiales frgiles.

Ensayo del disco: para materiales frgiles (cermicos y vidrios), tenemos:

F es la carga, d el dimetro y t el espesor

reduccin de rea = (Ao- Af) x 100 en %

Af

esfuerzo real, = F

A

deformacin real, = ln (l/lo)

esfuerzo de tensin, = 2F

*d*t

do d1 Abarrilamiento


4/11



Torsin

Un ensayo de torsin se realiza a especmenes tubulares. Generalmente tiene una seccin

transversal reducida para confinar la deformacin a una zona angosta

Donde:

T es el torque, r el radio promedio del tubo en su seccin redonda, t es el espesor del tubo en su

seccin reducida

Donde: l es la longitud del tubo sometido a torsin, es el ngulo de torsin en radianes

Flexin

Es difcil preparar especmenes para materiales frgiles, como cermicos y carburos, debidos a losproblemas surgidos en el moldeado y maquinado de los mismos a las dimensiones apropiadas. El

mtodo ms utilizado para materiales frgiles es el ensayo de flexin

esfuerzo al corte, = T

2**r*t

deformacin al corte, = r*

l

fractura

F

l


5/11



Estos esfuerzos se pueden calcular mediante las ecuaciones de la viga o resistencia a la ruptura

transversal

Dureza

Es una propiedad comn. Proporciona una indicacin de la resistencia del material al rayado y al

desgaste. La dureza es la resistencia a la indentacin permanente

Ensayos de dureza:

- Ensayo de Brinell: consiste en oprimir una bola de acero o de carburo de tungsteno de 10

mm de dimetro contra una superficie, con una carga de 500, 1500o 3000kg

El indentador tambin sufre una deformacin elstica bajo la carga aplicada, el resultadoes que las mediciones no puedan ser tan precisas. Para evitar estos defectos es necesario

usar bolas de carburo de tungsteno, debido a su alto mdulo de elasticidad se distorsionan

menos. Las bolas de carburo de tungsteno se recomiendan para nmero de dureza Brinell

mayores a 500.

Ensayo de flexin con

doblez en tres puntos

Ensayo de flexin con

doblez en cuatro puntos

D

d


6/11



-

Ensayo Rockwell: este mtodo mide la profundidad de penetracin en lugar del dimetro

de la indentacin. El indentador se oprime sobre la superficie, primero con una carga

menor y despus con una carga mayor. La diferencia en las profundidades de penetracin

es una medida de la dureza del material

-

Ensayo de Vickers: conocido antes como la prueba de dureza de la pirmide de diamante.

Utiliza un indentador de diamante con forma de pirmide y una carga que va de 1 kga 120

kg. El ensayo Vickers es adecuado para probar materiales con un amplio rango de dureza,

incluyendo aceros tratados trmicamente

HB = 2F

(*D)(D - (D - d))

Rockwell

A

C

D

B

F

G

E

Cono de

diamante

Bola de acero

1/16 de

dimetro

Bola de acero 1/8

de dimetro

t = mm

t = mm

Carga

60 kg

150 kg

100 kg

100 kg

60 kg

150 kg

100 kg

Nmero de

dureza

HRA

HRC

HRD

(de 100 a 500 t)

HRB

HRF

HRG

HRE

(de 130 a 500 t)

120

136


7/11



-

Ensayo Knoop: utiliza un indentador de diamante con forma de pirmide alargada, con

cargas aplicadas que varan generalmente de 25 ga 5 kg. Debido a las cargas ligeras que se

le aplica, se trata de un ensayo de microdureza. Es adecuado para especmenes muy

pequeos o muy delgados y para materiales frgiles, como carburos, cermicos y vidrios.

-

Encleroscopa: instrumento en el que se deja caer un indentador (martillo) sobre un

espcimen desde una altura. La dureza se relaciona con el rebote del indentador; cuanto

ms alto es el rebote, ms duro ser el material. La impresin producida por el

encleroscopio es muy pequea. El instrumento es porttil, por lo tanto es til para medir

la dureza de objetos grandes.

- Dureza Mohs: se basa en la capacidad de un material para rayar a otro. Se basa en una

escala del 1 al 10, siendo 1 la medida para el talco, metales blandos 2 a 3, aceros

endurecidos 6, xido de aluminio 9, y el diamante 10. Un material con nmero ms grande

de dureza Mohs siempre raya a otro que tiene un nmero menor.

HV = 1.854 *F

L

L/b = 7.11

b/t = 4.00

HK = 14.2 * F

L

b

t = mm

L


8/11



- Durmetro: la dureza de hules, plsticos y materiales no metlicos blandos y elsticos

similares se miden con un durmetro. Se oprime un indentador contra la superficie y

despus se aplica una carga constante con rapidez. Luego de un segundo, se mide la

profundidad de penetracin; la dureza se relaciona inversamente con la penetracin.

Dureza y resistencia

Debido a que la dureza es la resistencia a la indentacin permanente, puede semejarse a la

realizacin de una prueba de compresin sobre un pequeo volumen de la superficie de un bloque

de material. Recientes estudios han demostrado que la dureza de un metal trabajado en fro es

casi tres veces su esfuerzo de fluencia (punto Y). Para metales recocidos la dureza es

aproximadamente 5 veces su esfuerzo de fluencia (Y).

Adems, se ha establecido una relacin entre la resistencia mxima a la tensin (punto UTS) y la

dureza Brinell (HB) para los aceros, medida para una carga de 3000 kg. En unidades SI, la relacin

es:

Donde: UTS est dado en MPa

Para un sistema ingls, la relacin es:

Donde: UTS est dado en psi.

Fatiga

Diversos componentes en un equipo de manufactura estn sujetos a cargas de fluctan con

rapidez (cclicas o peridicas), adems de las cargas estticas. Los esfuerzos cclicos pueden ser

provocados por cargas mecnicas fluctuantes (ejemplo: los dientes de un engranaje) o por

esfuerzos trmicos (una matriz fra que entra en contacto por periodos con piezas calientes). La

falla se asocia con grietas que crecen en cada ciclo de esfuerzo y se propaga a travs de unmaterial hasta que se fractura. Esta fractura es conocida comofalla por fatiga.

Los mtodos de prueba de fatiga comprenden el ensayo de especmenes en diferentes estados de

esfuerzos, por lo comn una combinacin de tensin y doblado.

El ensayo se realiza en diferentes amplitudes de esfuerzo (S) y se registra el nmero de ciclos (N)

que se requiere para provocar la falla por fatiga.

UTS = 3.5 * HB

UTS = 500 * HB


9/11



Las curvas S vs N se basan en el esfuerzo (S) tanto en tensin mxima y compresin mxima (un

ciclo es una tensin y luego compresin) sucesivamente en ciclos (N)

El mximo esfuerzo al que se puede someter el material sin falla por fatiga (independientemente

del nmero de ciclos, que no afectaran considerablemente al material) se conoce como lmite de

fatiga. La aleacin de aluminio, por ejemplo, no tiene lmite de fatiga definida y la curva S vs N

tiene tendencia hacia abajo, caso contrario del acero que s lo tiene.

De esta manera se puede especificar la vida til del componente.

Termofluencia

Es el alargamiento permanente de un componente por una carga esttica mantenida durante un

periodo.

Para los metales y aleaciones (no plomo), el flujo plstico o mecanismo de fluencia ocurre a

temperaturas elevadas, desde los 200 C para aleaciones de aluminio y a 1500 C en las aleaciones

refractarias.

La termofluencia es importante en las aplicaciones de alta temperatura.


10/11



En el ensayo de fluencia, un espcimen se sujeta a una carga de tensin a cierta temperatura y

midiendo los cambios de longitud a ciertos periodos.

Esquema de una curva caracterstica de termofluencia. El segmento lineal de la curva secundaria

se utiliza en el diseo de componentes para una vida especfica de fluencia.

Impacto

Los materiales siempre se someten a impacto o carga dinmica (forjado por golpe). Una prueba de

impacto tpica consiste en colocar un espcimen con una muesca en una mquina de impacto y

romperlo con un pndulo oscilante.

En el ensayo de Charpy, el espcimen se soporta en ambos extremos, en el ensayo de Izod, se

soporta en un extremo como una viga en voladizo.

La energa disipada al romper el espcimen se puede obtener a partir de la cantidad de oscilacin

del pndulo. Esta energa es la tenacidad al impacto. An no es posible establecer relaciones

cuantitativas entre los ensayos de Charpy e Izod.


11/11



Las pruebas de impacto son tiles particularmente para determinar la temperatura de transaccin

dctil-frgil de los materiales.

Falla y fractura de los materiales en la manufactura y servicio

La falla y fractura de los materiales son un rea de estudio compleja, as que solo se concentrar

en los aspectos de la falla. Hay dos tipos generales de falla:

1.

Fractura: mediante agotamiento interno o externo, la fractura se clasifica adems como

fractura dctil y fractura frgil. La fractura dctil se caracteriza por la deformacin plstica

que procede a la falla. La fractura frgil ocurre con poca o ninguna deformacin plstica

2.

Pandeo: aunque generalmente se considera que la falla de los materiales es indeseable,

algunos productos se disean de tal manera que la falla es fundamental para su funcin.Ejemplos caractersticos: contenedores de alimentos y bebidas con tapas tipo cejas, que

se retiran jalando la lmina del metal a lo largo de su trayectoria preferida; papel o metal

perforado para empaque; tapas roscadas metlicas o plsticas para botellas.

Pndulo

Espcimen

10x10x55 cm

Pndulo

Espcimen10x10x75cm

Charpy Izod

Documents

3T.ensayos y Propiedades de Manufactura de Los Materiales